專利名稱：電容式壓力傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對基于施加外部壓力產(chǎn)生電容室變形的電容變化(電極間距離的變化)進行檢測的電容式壓力傳感器及其制造方法。
另一方面，在WO96/27123號(文獻1)中提出了基于與以往構(gòu)想不同的壓力傳感器。在該文獻1中提出的壓力傳感器中，在具有藍寶石等的彈性的基板內(nèi)設(shè)置電容室，在該電容室內(nèi)設(shè)置兩個相對的電極。在該構(gòu)成中，通過外加壓力使構(gòu)成電容室的基板自身發(fā)生壓縮變形，將伴隨基板變形的電極間距離的變化作為電容的變化而檢測。
圖9是表示文獻1公開的壓力傳感器。如圖9所示，該壓力傳感器，通過將在凹部內(nèi)由下部電極101a及引線101b形成的藍寶石制基板101和在凹部內(nèi)由上部電極102a及引線102b形成的藍寶石制基板102結(jié)合而形成，使電極101a和102a相對。
上部電極102a如

圖10所示，設(shè)置在比隔膜厚的基板102上。在附加外部壓力時，基板102幾乎不變形。構(gòu)成電容室周圍側(cè)壁的基板部分(以下稱為壓敏框架部104)壓縮變形，隨著壓敏框架部104的變形電極間距離發(fā)生變化，從而可以檢測電容的變化。藍寶石的拉伸彈性率為30,000kg/mm2。
所以，在該壓力傳感器中，在外加壓力時，由于下部電極101a與上部電極102a在保持相互平行的狀態(tài)下而靠近，所以具有保持傳感器輸出線形性等優(yōu)點。另外，與隔膜相比，由于壓敏框架部104難于壓縮，所以在噴射模壓機內(nèi)壓力測定等具有能夠在高壓下使用的優(yōu)點。
但是，在該以往的例子中，為提高測定靈敏度而縮短電極間距離時，壓敏框架部104的縱方向的長度變短而不易壓縮，相反還導致測定靈敏度下降。所以，在以往的構(gòu)造中，只適用于高壓下使用，具有測定范圍非常窄的問題。
本發(fā)明的目的在于提供能夠提高測定靈敏度的電容式壓力傳感器。
本發(fā)明的另一目的在于提供能夠擴大測定范圍的電容式壓力傳感器。
另外，與本發(fā)明相關(guān)的電容式壓力傳感器的制造方法包括在第一基板上形成凹部后，在該凹部內(nèi)形成第一平板電極的工藝；在具有彈性的第二基板的一面形成一圈一定深度的槽后，在該面上直接結(jié)合第三基板，通過研磨第二基板的另一面使槽暴露出而形成被槽包圍的載物臺，在該載物臺上形成第二平板電極的工藝；通過直接結(jié)合第一基板和第二及第三基板的一對構(gòu)造而形成第一及第二平板電極相對的電容室的工藝。
通過如此構(gòu)成，本發(fā)明通過外加壓力可以使彈性變形的壓敏框架部的長度在維持足夠長的同時，可以通過在載物臺上形成上部電極而縮短上部和下部電極間的距離，從而能夠進一步提高測定靈敏度和進一步擴大測定范圍。
圖2A是表示圖1中A-A’線的剖視圖，圖2B是表示圖1中B-B’線的剖視圖。
圖3A是表示圖1所示的上部電極的俯視圖，圖3B是表示圖3A中C-C’線的剖視圖。
圖4A是表示本發(fā)明第二實施例的上部電極的俯視圖，圖4B是表示圖4A中D-D’線的剖視圖。
圖5A是表示本發(fā)明的第三實施例的上部電極的俯視圖，圖5B是表示與圖5A所示上部電極相對的下部電極的俯視圖，圖5C是表示圖5A中E-E’線的剖視圖，圖5D是表示圖5C所示由上部電極和下部電極構(gòu)成的電路圖。
圖6A～6E是表示圖1中壓力傳感器制造工藝的A-A’線剖視圖。
圖7A～7C是表示圖1中壓力傳感器制造工藝的B-B’線剖視圖。
圖8A、8B是表示用于說明壓力傳感器的靈敏度的壓力傳感器的俯視圖和剖視圖。
圖9是表示以往電容式壓力傳感器的分解立體圖。
圖10是表示圖9中F-F’線的剖視圖。
如圖1所示，與本實施例有關(guān)的壓力傳感器是由在構(gòu)成電容室7(圖2A、2B)的凹部7a內(nèi)由矩形下部電極(固定電極)1a和引線1b形成的藍寶石制的下部基板1；在電容室7內(nèi)與下部電極1a相對設(shè)置的大致正方形的上部電極(可動電極)2a(圖2A、2B)形成的藍寶石制的中間基板2；以及結(jié)合在中間基板2上的扁片狀上部基板3構(gòu)成。下部基板1上面與中間基板2的下面結(jié)合，中間基板2上面與上部基板3的下面結(jié)合。
上部電極2a，如圖2A所示，是在由形成于中間基板2中的槽2c隔開的內(nèi)側(cè)區(qū)域(以下稱為載物臺5)下面形成，下部電極1a，形成于下部基板1的凹部7a的底面。槽2c與電容室7(下部基板1的凹部7a)的四邊相對應形成一圈矩形框架狀。通過槽2c與載物臺5分開的中間基板2的四周部4a和電容室7的側(cè)壁4b，通過外部壓力構(gòu)成彈性變形的矩形框架狀的壓敏框架部4。上部電極2a如圖2B、圖3A所示，通過在槽2c一部分上形成的橋接部2d上的引線2b與外部裝置(圖未示)連接。
以下對所述壓力傳感器的使用進行說明。
如圖2A所示，由于通過槽2c將設(shè)有上部電極2a的載物臺5與四周部4a分開，所以在外加壓力時，彈性變形的壓敏框架部4向外加壓力的方向上(壓縮方向)伸長。所以在該構(gòu)造中，可以使電極1a、2a間的距離在保持較窄的狀態(tài)下而保證對壓力變化敏感的部分較長。所以根據(jù)本發(fā)明實施例的壓力傳感器，可以提高測定靈敏度和擴大測定范圍。
另外，為使連接在上部電極2a上的引線2b引出，在槽2c的一部分上設(shè)置的橋接部2d如圖3A、3B所示與整個槽2c的大小相比非常小，所以對壓敏框架部4的壓縮變形沒有影響，也不阻礙壓力的測定。
以下參照圖4A、4B、5A～5D對上部電極2a和下部電極1a的另外的實施例進行說明。
在第二實施例中，如圖4A所示，在中間基板2的下面通過槽2c形成參照電極2e，使包圍載物臺5上的上部電極2a。參照電極2e，與下部電極1a一起用于測定標準電容。此時，下部基板1的凹部即電容室7的周邊向槽2c的外周擴伸，在該擴伸部分的上面設(shè)置與下部電極1a相對的參照電極2e。
利用參照電極2e測定的結(jié)果可以修正可動電極2a測定的結(jié)果。另外，在附加壓力時，參照電極2e與下部電極1a之間的電極間距離依賴于電容室7的側(cè)壁的長度β，但是，上部電極2a與下部電極1a之間的電極間距離依賴于壓敏框架部4的長度α。例如通過將α設(shè)定為大于100β，就可以使上部電極1a的測定靈敏度保持足夠大。
在第三實施例中，如圖5A～5C所示，與上部電極2a相對的被分割為兩個的下部電極1a-1、1a-2設(shè)置在下部基板1的凹部內(nèi)。電懸浮狀態(tài)的上部電極2a與下部電極1a-1、1a-2一起如圖5D所示，構(gòu)成兩個電容器串連結(jié)合的電路。此時，即便使上部電極2a處于懸浮狀態(tài)，通過準備兩個下部電極1a-1和1a-2可以測定壓力變化。如果根據(jù)本實施例，就不須要用于從上部電極2a引出引線的橋接部，從而也比第一實施例容易制造。
以下用圖6A～6E對圖1所示的壓力傳感器的制造方法進行說明。
首先，如圖6A所示，對通過激光等形成槽2c的中間基板用的基座2的上面和上部基板用的基座3的下面進行鏡面研磨后，在幾百攝氏度的氣氛下通過直接結(jié)合而將兩個基座的鏡面結(jié)合。然后，如圖6B所示，研磨基座2的底部直至槽2c暴露出。結(jié)果如圖6C所示，制造由中間基板2和上部基板1構(gòu)成的基板單元10。
在如此構(gòu)成的基板單元10中，槽底部X的表面為鏡面研磨面所以光滑。與此相反，在一個基座中用激光形成槽而制造所述基座單元時，要使槽底部X的表面形成鏡面研磨面基本上是不可能的。若使槽底面不是鏡面狀態(tài)的基板單元10用于傳感器時，就會出現(xiàn)應力不均，基板容易斷裂。與此相反，若根據(jù)所述制造方法，在傳感器基板中應力均一，可以防止基板斷裂。
然后，如圖6D所示，在以圖6C制造的基板單元10的載物臺5上形成上部電極2a。接著在下部基板用的基座1上形成凹部及下部電極1a后，通過直接結(jié)合將基板單元10與基座1結(jié)合。此時電極1a、2a在不損壞(熔融)的溫度下直接結(jié)合。結(jié)果如圖6E所示可以制造具有外加壓力方向上長的壓敏框架部4的壓力傳感器。
通過以上方式，可以制造在基板內(nèi)朝著與受壓面相互垂直方向形成槽2c的壓力傳感器。在通過該種方式制造的壓力傳感器中，可以在下部電極1a和上部電極2a之間的距離保持較窄的情況下，直接增加外加壓力時的壓縮區(qū)域。
以下用圖7A～圖7C對橋接部2d的制造方法進行說明。
首先，在基座2中形成槽2c時，如圖7A所示，使與橋接部2d相對應的槽2c的部分深度變淺。然后如圖7B所示將基座1和基座2直接結(jié)合制造基板單元10。然后在研磨基板單元10的下部時，使與橋接部2d相對應的基板部分剩下。在橋接部2d上，如所述形成引線2b。
以下用圖8A、8B對所述壓力傳感器的靈敏度進行說明。
所用的壓力傳感器為壓敏框架部4的壓敏方向長度a＝2(mm)、電極間隔b＝0.1(μm)、受壓面6至槽的底部的長度c＝2(mm)、壓敏框架部4的寬度d＝0.4(mm)、電容室的7的x方向長度e＝10(mm)、電容室的y方向的長度f＝10(mm)。藍寶石的拉伸彈性率設(shè)為30,000kg/mm2。
在該條件中，受壓面6的面積＝100(mm2)、壓敏框架部4的面積(與基板1的結(jié)合部的面積)15.36(mm2)，壓力擴大率100/15.366.5。另外，將在受壓面6上的外加壓力設(shè)為1kg/cm2、電極間隔b的位移設(shè)為Δb時，Δb/2＝1/30000×0.01×6.5(mm)、Δb＝43()。所以，基礎(chǔ)電容為100pF時，靈敏度為4.5pF。另外，即使b＝1(μm)時，靈敏度為0.43pF。為了使本構(gòu)造更有效地發(fā)揮功能，壓敏框架部4的厚度必須比基板1與基板3上的載物臺5之間的距離厚。
另外，在所述實施例中，對作為基座材料使用藍寶石的情況進行說明，本發(fā)明不限于此。例如可以使用硅、玻璃或鉆石等單晶材料。另外，參照電極并不是必須構(gòu)造，可以根據(jù)需要附加。所以，本發(fā)明是以上部電極2a和下部電極1a為基本構(gòu)造。另外，除將載物臺5設(shè)置在上部電極2a上外還可以設(shè)置在下部電極1a上。
另外，在所述實施例中，在下部基板1中可以設(shè)置構(gòu)成電容室7的凹部7a，也可以在與下部基板1結(jié)合的上側(cè)基板中設(shè)置凹部。此時下部基板1可以是扁片狀。
另外，在所述實施例中，為完成槽2c底部鏡面，可以結(jié)合三個基板來制造壓力傳感器，也可以通過激光等在能夠完成槽底部鏡面的情況下結(jié)合兩個基板來制造壓力傳感器。此時，例如如圖6A所示可以顛倒基板2通過與具有凹部的下部基板結(jié)合來實現(xiàn)。
如以上說明，本發(fā)明可以使下部電極與上部電極間距離在保持較窄的狀態(tài)下進一步增大外加壓力時壓縮變形區(qū)域的長度，從而可以實現(xiàn)測定靈敏度的提高和測定范圍的擴大。
權(quán)利要求
1.一種電容式壓力傳感器，其特征在于設(shè)有第一基板、設(shè)置于第一基板上的第一平板電極、包圍設(shè)置于第一基板上的第一平板電極的壓敏框架部、結(jié)合在壓敏框架部上并與第一基板相對的與第一基板和壓敏框架部一起形成電容室的第二基板、設(shè)置于電容室中第二基板上的與壓敏框架部隔開并與第一平板電極相對隔開的載物臺以及設(shè)置于載物臺上的并與第一平板電極相對的第二平板電極，所述壓敏框架部隨著外加于第一基板和第二基板上的壓力而產(chǎn)生彈性變形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式壓力傳感器，其特征在于在所述部分壓敏框架部中，形成與所述第一平板電極相對的區(qū)域，在該區(qū)域中設(shè)置與所述第一平板電極相對的參照電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式壓力傳感器，其特征在于所述第一和第二基板由藍寶石、硅、玻璃或鉆石構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式壓力傳感器，其特征在于設(shè)有連接所述部分載物臺和所述部分壓敏框架部的橋接部、設(shè)置于該橋接部上的一端與所述第二平板電極連接且另一端引出至所述電容室的外部的引線。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式壓力傳感器，其特征在于所述第一平板電極設(shè)置為兩個相互靠近的平板電極，該兩個平板電極分別與引出至所述電容室外部的引線連接，所述第二平板電極設(shè)置為電懸浮狀態(tài)。
6.一種電容式壓力傳感器的制造方法，其特征在于包括在第一基板上形成凹部后，在該凹部內(nèi)形成第一平板電極的工藝；在具有彈性的第二基板的一面形成一圈一定深度的槽后，在該面上直接結(jié)合第三基板，通過研磨所述第二基板的另一面使槽暴露出而形成被所述槽包圍的載物臺，在該載物臺上形成第二平板電極的工藝；通過直接結(jié)合所述第一基板和所述第二及第三基板的一對構(gòu)造而形成所述第一及第二平板電極相對的電容室的工藝。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電容式壓力傳感器的制造方法，其特征在于進一步包括形成使設(shè)置于所述第二基板上的部分槽的深度比其它部分淺并且通過研磨在所述部分槽中設(shè)置橋接部的同時在該橋接部上一端與所述上部電極連接并且另一端形成向外部引出的引線工藝。
全文摘要
一種電容式壓力傳感器設(shè)有第一基板(1)、設(shè)置于第一基板(1)上的第一平板電極(1a)、包圍設(shè)置于第一基板(1)上的第一平板電極(1a)的壓敏框架部(4)、結(jié)合在壓敏框架部(4)上并與第一基板(1)相對的與第一基板(1)和壓敏框架部(4)一起形成電容室(7)的第二基板(2、3)、設(shè)置于電容室(7)中第二基板(2、3)上的與壓敏框架部(4)隔開并與第一平板電極(1a)相對隔開的載物臺(5)以及設(shè)置于載物臺(5)上的并與第一平板電極(1a)相對的第二平板電極(2a)，壓敏框架部(4)隨著外加于第一及第二基板上(1、2、3)的壓力而產(chǎn)生彈性變形。
文檔編號H01G4/38GK1440504SQ01812262
公開日2003年9月3日 申請日期2001年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月4日
發(fā)明者石倉義之 申請人:株式會社山武